Hot electrons transport in magnetised targets with applications to shock ignition

This work will present both the magneto-hydrodynamics and the hybrid simulations, aimed at explaining the behaviour of the hot electrons generated during the interaction Laser-Plasma in the shock ignition scheme. This solution is undoubtedly one of the most promising ones in the field of the inertial confinement, even though the role of the hot electrons in the shock dynamics has to be further investigated. Professor Dimitri Batani conducted several experiments in order to evaluate the effects of the hot electrons on the hydrodynamics of the shock ignition. The experiment provided the interaction of a laser with a plastic layer, using a copper layer as tracing one and basing the analysis on the Kα emissions of the copper. Firstly, a study of the involved plasma physics was provided, while secondly, the FLASH code (developed by the University of Chicago) and a hybrid code (developed at the Polytechnic University of Madrid) were used to provide the simulations. In order to use the FLASH code, it was necessary to study the modules that are necessary for the reproduction of the considered application (such as energy deposition, tracing of the laser, material properties, solvers). After an in-depth study, it was developed the code for the generation of the simulation domain and to apply the adaptive mesh refinement grid. Subsequently, the parameters of the laser beam were set, and finally, it has been possible to run the simulations. It was reproduced the experiment hydrodynamics starting from the data of the CHIC code provided by professor Batani. Once reproduced the hydrodynamics, the code was modified to generate a simulation domain and a mesh grid in which it was possible to solve the magneto-hydrodynamic problem. Obtained the magnetic field evolution due to the action of the hydrodynamics, the results in HDF5 format were post-processed to be readable by the hybrid code. The hybrid code, adapted for this application, is necessary to reproduce the hot electron motion because the FLASH only describes the plasma evolution. The simulation obtained by the FLASH code is used for the description of the background plasma that will act on the motion of the hot electrons. In this way, it is obtained an accurate description of the motion of the hot electrons considering the hydrodynamics and the evolution of the magnetic field due to this one. Therefore, the work investigates the effects of an external magnetic field on the motion of the particles, applied to control them. Considering only the shock ignition scenario, the role of the hot electrons may be beneficial and critical in reaching the sub-Gbar pressure needed in this methodology. In the shock ignition scheme, the hot electrons are generated by the final high-intensity laser spike that produces a powerful shock. This spike arises when the compression of the fuel is already in an advanced state, and the areal density is large enough to prevent the hot electrons pass to reach the fuel in the centre. On the contrary, they may deposit energy denser part of the plasma enhancing the pressure. Thus, better control of these particles may further increase the pressure increment. In other illumination regimes, in particular in the Indirect-Drive one, the hot electrons are generated during the early stage and may deposit energy in the centre of the fuel, making the compression more difficult. Therefore, in this scenario, the possibility to control their motion becomes critical in improving the compression avoiding the fuel pre-heat. The simulation showed the minimum value of the external magnetic field to be applied in order to change consistently the number of electrons reaching the copper surface, showing that a relatively low value for the external magnetic field is going to be enough to control the particles. The obtained results are showing the importance of the hydrodynamics in the magnetic field evolution. Moreover, it was analysed the influence of other parameters, such as beam divergence, resistive fields and the possibility of the presence of electrons with energies up to the ones produced by the two-plasmon-decay instability. Finally, it was showed that the hydrodynamics plays a fundamental role in the effects of the external field; Besides, to obtain adequate control of the particles, its effect must be carefully considered.

Questo lavoro vuole presentare lo sviluppo di simulazioni di tipo ibrido e magnetoidrodinamiche atte a riprodurre ed a descrivere il comportamento di elettroni veloci formatisi durante l’interazione Laser-Plasma nel regime di illuminazione dello schema di ignizione per onda d’urto. Quest’ultimo è uno dei più promettenti nel campo della fusione per confinamento inerziale, sebbene il ruolo degli elettroni veloci nella dinamica dell’onda d’urto debba essere meglio approfondito. Il professor Dimitri Batani ha condotto diversi esperimenti per valutare l’effetto degli elettroni veloci sull’idrodinamica dello schema di ignizione per onde d’urto. Il setup dell’esperimento prevedeva uno strato di interazione di plastica e uno strato di tracciamento in rame, basando, quindi, l’analisi relativa agli elettroni veloci sull’emissione Kα del rame. A seguito di uno studio sulla fisica del plasma relazionata a queste applicazioni, sono state condotte, per l’appunto, sia delle simulazioni magneto-idrodinamiche utilizzando il codice FLASH (sviluppato dall’ università di Chicago), sia delle simulazioni ibride (sviluppato all’ Università Politecnica di Madrid), impiegando un codice ibrido, per descrivere il movimento degli elettroni. Al fine di condurre le simulazioni magneto-idrodinamiche si è reso necessario lo studio approfondito dei moduli del codice FLASH dell’università di Chicago necessari a riprodurre gli esperimenti considerati (come modulo di deposizione dell’energia, tracciamento del laser, proprietà dei materiali). Dopo uno studio approfondito, si è proceduto al set-up delle simulazioni, producendo il codice per la generazione del dominio di simulazione e per l’applicazione di una mesh adattativa. Fissati i parametri del laser è stato possibile effettuare le simulazioni. Quindi, è stato possibile riprodurre l’idrodinamica dell’esperimento grazie ai dati del codice CHIC forniti dal professor Batani. A questo punto il codice è stato adattato per la risoluzione del problema magneto-idrodinamico. Ottenuta l’evoluzione del campo magnetico sotto l’effetto dell’idrodinamica, i risultati in formato HDF5 sono stati post-processati por poter essere letti dal codice ibrido. Il codice ibrido, adattato a questa applicazione, è necessario per riprodurre l’evoluzione degli hot electrons dato che il codice FLASH descrive solo l’evoluzione del plasma in background. La descrizione del plasma in background si rende necessaria perché questo modifica il movimento degli elettroni sopratermici insieme al campo magnetico esterno. In questo modo si restituisce una descrizione accurata del movimento degli elettroni tenendo in considerazione l’effetto dell’idrodinamica e l’effetto che questa ha sul campo magnetico esterno. In questo lavoro quindi si studia l’effetto del campo magnetico esterno sugli elettroni sopratermici in modo da controllarli. Nello schema di ignizione per onde d’urto, il ruolo degli elettroni sopra-termici è benefico e fondamentale per raggiungere la pressione di sub-Gbar per produrre l’ignizione. In questa metodologia queste particelle sono generate dall’ultimo pulso laser ad alta intensità che arriva quando la compressione è in uno stato avanzato e la densità areale è tale da impedire a queste particelle di raggiungere il combustibile al centro della capsula. In questo modo depositano la loro energia nella zona di plasma denso incrementando la pressione di compressione. Quindi, ottenendo un miglior controllo su queste particelle è possibile ottenere un maggior incremento di pressione. In altri schemi di illuminazione, in particolare nello schema di ignizione indiretta, questi elettroni sono prodotti fin dai primi istanti così possono raggiungere il combustibile al centro depositando lì la loro energia. Questa deposizione di energia all’interno del combustibile rende più difficoltosa la compressione. Perciò, in questo caso un miglior controllo su queste particelle potrebbe migliorare la compressione evitando il preriscaldamento del combustibile. Le simulazioni mostrano il minimo valore del campo esterno per poter cambiare in modo consistente il numero di elettroni che raggiungono lo strato di rame, mostrando che il valore necessario per controllare le particelle non deve essere eccessivamente alto. Inoltre è stata analizzata l’influenza di altri parametri come la divergenza del fascio di elettroni, i campi resistivi e la possibilità di avere elettroni dell’energia di quelli prodotti dall’instabilità two-plasmon-decay. In fine è stata mostrata l’importanza dell’idrodinamica sull’evoluzione del campo magnetico e conseguentemente sul controllo degli elettroni.